光の屈折と全反射
水の中の足が短く見える、ストローが曲がって見える──これらはすべて屈折という現象です。光が異なる物質に入る瞬間に起きます。
基本知識
光が空気から水やガラスのように密度の異なる物質に進むとき、境界面で進む向きが折れ曲がります。これを屈折といいます。
空気から水(ガラス)に入るとき: 入射角 > 屈折角(法線側に近づく)
水(ガラス)から空気に出るとき: 入射角 < 屈折角(法線から離れる)
水中・ガラス中から空気へ出る場合、入射角がある角度(臨界角)を超えると光はすべて境界面で反射してしまいます。これを全反射と呼び、光ファイバーや双眼鏡の内部反射に利用されます。
📘 重要用語
屈折（光が異なる物質の境界面で進路が曲がる現象）
屈折角（屈折光と法線がなす角）
臨界角（全反射が起こり始める入射角）
全反射（屈折せず、光が境界面ですべて反射する現象）
光ファイバー（全反射を利用して光信号を遠くまで運ぶケーブル）
分散（プリズムで白色光が虹色に分かれる現象）
屈折（光が異なる物質の境界面で進路が曲がる現象）
屈折角（屈折光と法線がなす角）
臨界角（全反射が起こり始める入射角）
全反射（屈折せず、光が境界面ですべて反射する現象）
光ファイバー（全反射を利用して光信号を遠くまで運ぶケーブル）
分散（プリズムで白色光が虹色に分かれる現象）
深掘り (背景・意義)
屈折の原因は、光の速さが物質によって変わるためです。光は真空中が最も速く、水中では約 2.25 × 108 m/s、ガラス中では約 2.0 × 108 m/s に遅くなります。
白色光をプリズムに通すと、波長(色)ごとに屈折率がわずかに異なるため、赤・橙・黄・緑・青・藍・紫のスペクトルに分かれます(分散)。これがニュートンの発見で、虹も雨粒中での屈折と分散の結果生じます。
全反射を活用した光ファイバーは現代のインターネット通信を支え、内視鏡の光源やイルミネーションにも応用されています。
💡 ポイント
- 屈折＝境界面で光が折れ曲がる
- 空気→水・ガラス: 入射角 > 屈折角
- 水・ガラス→空気: 入射角 < 屈折角
- 臨界角を超えると全反射
- 全反射の応用: 光ファイバー、双眼鏡、内視鏡
- プリズムの分散で白色光は虹色に
- 虹は雨粒中での屈折・反射・分散の結果
注意点 (混同しやすい)
① 屈折は境界面でのみ起こる(物質内では直進)。② 全反射は光学的に密な物質から疎な物質(水→空気、ガラス→空気)へ進むときだけ。③ 反射と屈折は同時に起こることが多い(水面で一部は反射、一部は屈折)。④ 屈折率が大きい物質ほど光は遅く進む。
練習
- 水中から空気に出るとき、入射角と屈折角ではどちらが大きいか。
- 光ファイバーで使われている光学現象を答えなさい。
- プリズムで白色光が虹色に分かれる現象を何と呼ぶか。